KR20180132354A - 태양 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 광투과성층이 태양전지 셀 상에 적층되어 이루어져서 입사하는 광에 따라 발전(發電)하는 태양 전지 모듈에 있어서, 상기 복수의 광투과성층의 최상층이며, 상기 광 입사면에 배치되어 상기 입사하는 광을 집광시키는 적어도 하나의 미세렌즈, 및 상기 미세렌즈 하측의 상기 복수의 광투과성층의 중간 내부에 설치되며, 상기 미세렌즈를 투과하는 입사광을 분산하여 상기 태양전지 셀에 조사 될 수 있도록 빛을 산란시키는 광분산자를 포함하는 태양 전지 모듈을 제공한다.

Description

태양 전지 모듈{PHOTOVOLTAIC MODULE}

본 발명은 태양 전지 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 태양광 발전효율을 향상시킬 수 있는 태양 전지 모듈에 관한 것이다.

최근 태양전지의 광전환 효율이 25%(결정형 실리콘) 및 35%(III-V 족 갈륨아세나이드(GaAs))에 달하고 있다.

그러나 종래의 태양광발전은 태양 전지 모듈을 태양광에 직접 노출(1 SUN)시킴으로써 20% 대의 광전환 효율을 확보하는 방법(예, 결정형 실리콘 태양전지 또는 박막형 화합물 태양전지)이 사용되기 때문에, 설치가 단순하지만 자연현상으로 태양의 고도각과 방위각이 계절에 따라 또한 하루의 시간변화에 따라 일사량이 변화함에 따라 유효 발전시간이 적다는 문제점이 있다.

또한, 종래의 태양광발전은 수 100배 집광된(수 100 SUN) 태양광을 태양 전지 모듈에 조사(照射) 시켜 적은 면적에서 고효율(≥40% 광전효율)의 전력을 생산하는 방법(예, III-V족 반도체 집광형 태양전지)이 사용되기 때문에, 고효율이 가능하지만 태양을 추적하는(tracking) 복잡한 시스템이 필요하다는 문제점이 있다.

한국등록실용신안 20-0452364

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 저(低)집광(≥ 1 SUN)에 의한 광세기를 증대하여 발전효율을 향상하고, 태양광 추적을 하지 않고도 유효 태양광 포집 시간을 증대함으로써 태양전지 셀 자체의 효율 상승이 없이도 태양광 발전효율을 향상시킬 수 있는 태양 전지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양 전지 모듈은 복수의 광투과성층이 태양전지 셀 상에 적층되어 이루어져서 입사하는 광에 따라 발전(發電)하는 태양 전지 모듈에 있어서, 상기 복수의 광투과성층의 최상층이며, 상기 광 입사면에 배치되어 상기 입사하는 광을 집광시키는 적어도 하나의 미세렌즈, 및 상기 미세렌즈 하측의 상기 복수의 광투과성층의 중간 내부에 설치되며, 상기 미세렌즈를 투과하는 입사광을 분산하여 상기 태양전지 셀에 조사 될 수 있도록 빛을 산란시키는 광분산자를 포함한다.

또한, 상기 미세렌즈는 휘는 것이 가능한 소재로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 미세렌즈는 엠보싱(embossing) 성형 또는 3D 프린터를 이용하여 작고 쉽게 형성될 수 있다.

또한, 상기 광분산자는 상기 집광된 광이 모이는 초점평면보다 상측에 위치되어 상기 미세렌즈와 상기 초점평면 사이에 위치될 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따른 태양 전지 모듈은 미세렌즈에 의한 집광 광학계와 광경로 제어를 위한 광분산자(light diffuser)를 포함함으로써, 저(低)집광(≥ 1 SUN)에 의한 광세기를 증대하여 발전효율을 향상하고, 태양광 추적을 하지 않고도 유효 태양광 포집 시간을 증대함으로써 태양전지 셀 자체의 효율 상승이 없이도 태양광 발전효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 실시예에 따른 태양 전지 모듈을 나타낸 개략도이다.
도 2는 도 1의 태양 전지 모듈의 사시도이다.
도 3은 도 1의 미세렌즈의 초점거리를 나타낸 개략도이다.
도 4는 도 1의 태양 전지 모듈에 의해 증가된 예상 발전량을 나타낸 그래프이다.

하기 에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서에서 단어 "예시적인" 은 "예로서, 일례로서, 또는 예증으로서 역할을 한다."라는 것을 의미하기 위해 이용된다. "예시적"으로서 본 명세서에서 설명된 임의의 양태들은 다른 양태들에 비해 반드시 선호되거나 또는 유리하다는 것으로서 해석되어야 하는 것만은 아니다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

먼저, 태양전지의 광전환 효율의 향상과 태양 전지 모듈의 가격 하락(약 US$2/모듈)은 태양전지 패널이 기존의 솔라팜(solar farm)과 같은 대규모 발전뿐만 아니라 건축물에 활용하거나 집적하는 건물일체형태양전지(BIPV: building integrated photo-voltaics), 에너지 하베스팅에 의한 사물인터넷(IOT: internet of things) 소자의 무선 독립 에너지원으로 발전하고 있다.

또한, 전기자동차 혁신을 주도하고 있는 테슬라(미국)는 자동차 배터리 충전을 위하여 실 소비자의 개인 주택에 태양광 기와(solar shingle) 설치하고 필요한 전력을 스스로 해결하게 하는 방안을 제시하고 있다.

또한, IOT 기술의 발전으로 무선 환경에서 독자적으로 전기 에너지를 공급할 수 있는 장치의 활용이 요구되고 있는데, 실외에서 태양전지를 활용함으로써 에너지 자립형 IOT 디바이스 플랫폼 기술의 실용화는 연구 개발되고 있다.

또한, 태양전지 셀로부터 생산되는 전력은 태양광의 세기와 수광 면적에 비례 한다. 즉, 태양전지 셀 면적이 클수록 전력이 많이 생산된다. 한편, 태양광의 세기는 설치 지역(위도, 경도)에 따라 변할 뿐만 아니라(태양 고도각의 변화) 동일 지역에서도 아침, 정오, 저녁 등 시간에 따라 변한다(태양 경사각의 변화).

이와 같은 자연 현상을 고려할 때, 태양전지 셀로부터 전력생산을 극대화하기 위하여 높은 광전환 효율과 큰 면적을 갖는 태양전지 셀을 개발하고, 태양전지 셀 평면이 입사 태양광에 수직하도록 설치하며, 입사된 태양광이 태양전지 셀에 고루 분포시켜 광흡수를 촉진하는 기술을 연구 개발을 하고 있다.

도 1은 실시예에 따른 태양 전지 모듈을 나타낸 개략도이고, 도 2는 도 1의 태양 전지 모듈의 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 태양 전지 모듈(100)은 태양전지 셀(11), 제1, 제2 봉지재(12,13), 광분산자(light diffuser)(14), 스페이서(spacer)(15), 미세렌즈(16)를 포함한다.

즉, 태양 전지 모듈(100)은 제2 봉지재(13), 광분산자(14), 스페이서(15), 및 미세렌즈(16)를 포함하는 복수의 광투과성층이 태양전지 셀(11) 상에 적층되어 이루어져서 입사하는 광에 따라 발전(發電)한다.

여기서, 태양 전지 모듈(100)은 결정형 실리콘 태양전지 또는 박막형 태양전지 셀일 수 있다. 또한, 태양 전지 모듈(100)은 III-V족 반도체인 GaAs 기반의 다중 p-n 접합구조의 셀을 이용할 수 있다. 또한, 태양 전지 모듈(100)은 구성 요소 모두가 폴리머 기반으로 이루어질 수 있다.

태양전지 셀(11)은 소자(device)의 안전성 확보를 위하여 제1, 제2 봉지재(12, 13) 사이에 개재되어 둘러싸여 진다.

즉, 제1 봉지재(12) 상측에는 복수의 태양전지 셀(11) 각각이 서로 이격되어 배치된다. 그리고 복수의 태양전지 셀(11)이 배치된 제1 봉지재(12) 상측에는 제2 봉지재(13)가 배치된다. 이에 따라, 복수의 태양전지 셀(11)은 제1, 제2 봉지재(12, 13) 사이에 개재되어 둘러싸여 진다.

또한, 태양전지 셀(11)은, 결정 실리콘, 박막 태양전지, GaAs 집광 태양전지 등으로 이루어질 수 있다. 또한, 태양전지 셀 또는 태양전지 셀 어레이로 배치될 수 있다.

제1, 제2 봉지재(12,13) 각각은 에틸렌초산비닐 공중합체(EVA: ethylene-vinyl acetate copolymer) 등의 폴리머(polymer)로 이루어질 수 있다.

제2 봉지재(13)는 빛이 입사하는 쪽의 봉지재로서, 태양전지 셀(11)과 대향하는 상면이 의도적으로 표면에 주기적인 요철 또는 임의의 거칠기(roughness)를 갖도록 가공되어 형성된다.

광분산자(14)는 상기 복수의 광투과성층의 중간 내부에 설치되며, 미세렌즈(16)를 투과하는 입사광이 분산(de-focussing)하여 태양전지에 조사 될 수 있도록 한다. 광분산자(14)에 의해 산란되는 태양빛은 태양전지 셀(11) 내부에서 광경로(optical path)가 늘어나는 광포획(light trapping) 효과로 미세렌즈(16)에 의한 초점거리의 변화가 있더라도 넓은 태양전지 셀(11) 면적에 균일하게 태양광이 조사될 수 있게 한다.

미세렌즈(16)의 곡면은 평면 유리에 비하여 허용 입사 각도를 크게 하는 효과가 있으나 좁은 영역에 집광되는 태양광이 태양전지의 전력변환 유효 광 흡수면적을 좁히고, 태양광 입사각도에 따라 초점 위치가 변하기 때문에, 태양전지의 발전효율 유지와 장기 신뢰성을 보장하기 위하여 가능한 태양전지 셀의 전면적에 태양광을 균일하게 조사시키는 것이 중요하다. 이에 따라, 광분산자(14)는 태양 전지 모듈(100)에 입사되는 태양광을 산란 유발하여 광포획에 의한 광흡수를 촉진할 수 있다.

또한, 광분산자(14)를 형성하는 방법은 다양하다. 예를 들어, 제2 봉지재(13) 상면에 식각(etching)방법으로 표면 텍스추어(surface texture)를 변화시켜 광분산자(14)를 형성할 수 있다. 즉, 광분산자(14)는 인위적인 표면 거칠기를 갖도록 가공하여 형성된다.

스페이서(15)는 광분산자(14)상에 배치되며, 광분산자(14)와 대향하는 상면이 평탄하게 형성된다.

이에 따라, 스페이서(15)는 광분산자(14)의 굴곡을 평탄화하게 하여 미세렌즈(16)의 기판역할을 하게 된다. 여기서, 스페이서(15)는 일정한 두께의 폴리머로 이루어질 수 있다.

미세렌즈(16)는 상기 복수의 광투과성층의 최상층 즉 광 입사면에 배치된 최상층으로서, 스페이서(15)상에 배치된다. 즉, 스페이서(15)의 평탄한 상면 상에 미세렌즈 또는 미세렌즈 어레이를 배치하여 태양 전지 모듈을 완성하게 된다. 이에 따라, 스페이서(15)는 광분산자(14)와 미세렌즈(16) 사이에 개재된다.

또한, 미세렌즈(16)는 플라스틱 소재 등으로 이루어질 수 있기 때문에 엠보싱(embossing) 성형이나 3D 프린터를 이용하여 작고 쉽게 형성될 수 있으며, 휘는 것이 가능하게 형성될 수 있다. 이에 따라, 미세렌즈(16)가 포함된 태양 전지 모듈(100)의 유연성으로 설치면의 굴곡진 환경에 맞춘 제품 개발도 가능하다. 곡면에 적응 가능한 태양 전지 모듈(100)은 건축물과 집적된 다양한 형태로 발전할 수 있어 그 활용도를 높일 수 있다. 한편, 태양 전지 모듈(100)의 발전효율의 손실을 최소화하면서 소형화 모듈 제작이 가능하다. 또한, IOT의 에너지 하베스트 플랫폼의 전원으로 활용이 가능하다.

또한, 미세렌즈(16)는 두께와 무게가 늘어나지 않으면서도 집광 효과가 우수하며 저가(低價)에 형성될 수 있다.

또한, 미세렌즈(16)에 의한 집광(concentration)으로 태양전지 셀(11)에 입사되는 태양광 세기를 크게 할 수 있다.

상기와 같이 구성된 태양 전지 모듈(100)에는 외부의 태양광이 입사된다. 이때, 도 2에 도시된 바와 같이, 태양 전지 모듈(100)이 수평면에 놓이게 될 경우 태양전지 셀(11) 평면의 수직방향(

)이 설정될 수 있다. 여기서, 입사 태양광(114)은, 수직방향(

)에 대하여 동ㅇ서 방향으로 경사각 α 로 입사한 경우이고 또한, 남ㅇ북 방향으로 고도각 β 로 기울어져 입사한 경우이다. 그리고 미세렌즈(16)는 연중 태양의 움직임에 따라 경사각 α 와 고도각 β 가 증가하여 효과적으로는 미세렌즈(16)를 결합하지 않은 태양 전지 모듈(100)에 대하여 태양광 추적효과를 만들어 낼 수 있다.

또한, 외부의 태양광은 태양의 위치에 따라 수직입사광(111)과 경사입사광(112, 113)으로 구분된다.

수직입사광(111)은 태양 전지 모듈(100)에 수직으로 입사하는 즉 입사광이 수직한 경우이다. 경사입사광(112, 113)은 수직입사광(111) 이외의 입사광이다. 여기서, 태양 전지 모듈(100)의 광전환 효율이 수직입사광(111)의 경우 극대화되지만, 실제 활용은 수직입사광(111)보다는 일정한 입사각(131, 132)을 가지는 경사입사광(112, 113)의 경우가 대부분이다.

미세렌즈 어레이인 경우의 미세렌즈(16)들 각각은 태양광의 입사각 조건에 따라 수직입사광(111), 경사입사광(112, 113) 각각에 대하여 렌즈의 배율에 따라 집광을 하게 된다.

집광된 고밀도의 태양광은 초점평면(A-A'선상)에 모이게 된다. 이때, 초점평면(A-A'선상) 까지의 거리인 렌즈의 초점거리(121)는 스페이서(15)의 두께에 따라 결정된다. 또한, 스페이서(15) 두께에 맞추어 미세렌즈(16)의 곡률(초점거리)을 결정할 수 있다.

여기서, 초점평면(A-A')에 모여진 빛이 미세렌즈의 배율(m)에 의하여 m SUN으로 모여지기 때문에, 제2 봉지재(13)와 스페이서(15)는 열 손상이 될 수 있다. 또한, 초점평면(A-A')에 모여진 빛은 태양전지 셀(11)의 수평면에서 균일한 에너지 분포를 가질 수 없다.

이에 따라, 광분산자(14)는 초점거리(121)보다 작은 거리로 위치 즉 초점평면(A-A'선상)보다 상측에 위치되어 미세렌즈(16)와 초점평면(A-A'선상) 사이에 위치된다.

즉, 집광된 태양광은 초점평면(A-A') 이전에 광분산자(14)를 거치기 때문에, 초점평면(A-A')에 모여지지 않고 광분산자(14)의 표면 거칠기(surface roughness)에 의하여 산란광(122)으로 전환되어 제2 봉지재(13) 공간에 균일하게 분포됨으로써 하부에 놓인 태양전지 셀(11)의 전면에 입사하여 흡수되게 된다.

또한, 미세렌즈(16)가 집적된 태양 전지 모듈(100)은 입사광의 크기와 유효 입사각도의 크기를 증대하기 때문에 태양광 발전 효율을 향상시키게 된다. 태양전지 셀의 광전변환효율 보다도 입사광이 렌즈의 배율 M 에 의하여 커지게 되면 전류 생산량도 비례하여 M 배로 커지게 된다.

이때, 미세렌즈(16) 및 광분산자(14)에 의한 광학효과를 향상하기 위하여 소재의 효과적인 굴절률 배열이 중요하다.

도 3은 도 1의 미세렌즈의 초점거리를 나타낸 개략도이다. 여기서, 도 3의 O-P는 수직방향이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 미세렌즈(16)는 입사하는 광을 집광하는데 활용되고 있다.

미세렌즈(16)에 입사하는 광선이 초점평면(A-A')에 모인다. 즉, 미세렌즈(16)의 광축(O-O')에 평행하게 입사하는 빛은 미세렌즈(16) 반대쪽의 초점거리(F2) 만큼 떨어진 초점평면(A-A')에 있는 광축의 한 점 O 에 모이게 된다. 또한, 미세렌즈(16)의 광축에 기울어져(각도 θ1) 입사하는 빛은 미세렌즈(16)를 통과한 후 역시 동일한 초점평면(A-A')의 한 점 P 에 모이게 된다.

이와 같은 미세렌즈(16)의 효과는 경사 입사하는 빛이 광축으로 굴절되어 모이는 효과를 가지고 있다. 즉, 임의의 각도 θ1 (0ㅀ≤θ1<90ㅀ)으로 입사하는 빛은 굴절되어 광축 O-O'을 향하여 각도 θ2 로 굴절되어 (θ1≥θ2) 초점평면(A-A')에 모이게 된다.

이에 따라, 미세렌즈(16)의 효과는 미세렌즈(16)의 배율에 따라 입사광의 집광효과가 있고, 경사 입사광이 미세렌즈(16)를 지난 후 광축으로 굴절되어 (θ1≥θ2) 초점평면 OP에 직각으로 입사하게 되는 효과가 있다.

즉, 미세렌즈(16)를 사용할 경우 입사각도가 큰 경사광에서도 초점평면(A-A')에 놓인 태양 전지 모듈(100)에 수직하게 입사하도록 하는 태양광 추적효과가 있다.

이와 같은 미세렌즈(16)에 의한 광학적 효과는 하루 중 태양광의 입사각도가 큰 아침과 저녁시간에도 집광에 의한 광세기의 증가와 함께 수직입사에 대한 집광에 의한 발전량 증가뿐만 아니라 태양 추적의 효과가 유발한다. 이와 같은 효과에 의하여 미세렌즈(16)를 사용할 경우 상대적으로 넓은 입사 각도에서 집광된 광세기의 빛이 초점평면(A-A')에 놓여있는 태양 전지 모듈(100)에서 흡수되어 발전효율을 향상 시킬 수 있다.

또한, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 빛의 굴절에 관한 스넬(Snell)의 법칙에 의하면 입사각(θ0)과 굴절각(θ2)은 입사매질(공기)의 굴절률(n0)과 굴절매질의 굴절률(n2)에 대하여

의 관계를 갖는다. 여기서, 입사매질(공기)의 굴절률(n0)은 1이라 가정한다.

즉, 입사매질의 굴절률(n0)보다 굴절매질의 굴절률(n2)이 클수록 굴절각(θ2)은 미세렌즈(16)의 광축으로 모이게 된다. 즉 굴절광은 수직으로 태양전지 셀(11)에 입사하게 된다. 이 광학현상을 이용하여 형성되는 재료의 굴절률 제어를 할 수 있다. 굴절률 제어를 활용할 경우에는 태양빛에 대하여 더 넓은 입사각을 확보할 수 있어 발전량 스루풋(throughput) 향상을 얻을 수 있다. 이때, 제2 봉지재(13)의 굴절률은 n1이고, 스페이서(15)의 굴절률은 n2이며, 미세렌즈(16)의 굴절률은 n3와 n4 또한, 입사매질(공기)의 굴절률은 n0(=1)이라 할 때, 각 소재의 굴절률 배열의 바람직한 순서는 n1≥n2≥n3(n4)≥n0 이다.

특히, 미세렌즈(16)의 경우에는 서로 다른 굴절률(n3, n4)을 중복 사용할 경우 한 렌즈에서 여러 굴절률이 갖도록 할 수 있고 그 배열이 대기 쪽을 향하는 굴절률 n4의 값이 n3의 값보다 작게 할 수 있다.

또한, 미세렌즈(16)는 굴절률의 차이가 서서히 생기는 방식으로 형성될 수 있고, 그레이디드 인덱스(graded index) 렌즈를 사용할 수 있다.

도 4는 도 1의 태양 전지 모듈에 의해 증가된 예상 발전량을 나타낸 그래프이다. 여기서, 도 4의 G-1은 측정된 하루의 발전량 이고, G-2는 태양 전지 모듈(100)에 의해 증가된 예상 발전량이다.

또한, 태양전지 셀(11)에 굴절각도(θ2)로 입사하는 태양광은 미세렌즈(16)에 의하여 더 큰 경사 입사각도 (θ1)에서 오는 빛을 전력변환에 사용할 수 있기 때문에 아침과 저녁 시간에도 태양광을 추적하는 효과에 의하여 발전시간을 동시에 늘이게 된다.

즉, 태양광으로부터 집광 없는 태양광 모듈로부터 생산된 발전량에 대한 하루의 관측곡선인 도 4에 도시된 바와 같이, 자연 현상으로서 지구상에 도달하는 태양광은 연중 고도각과 방위각이 계절에 따라 또한 하루의 시간변화에 따라 변화 한다. 태양전지 셀(11)을 지표면으로부터 위도 각에 맞추어 고정하여 설치할 경우, 태양의 입사각도(태양의 남중으로부터의 각도)가 클수록(아침, 저녁) 태양광의 세기가 급격히 감소하기 때문에, 태양 전지 모듈로부터 생산되는 발전량은 오전시간에 비선형적으로 급격히 상승하고 남중하는 태양을 지난 오후에 다시 급격히 감소된다. 즉, 태양광의 입사각도에 따라 발전량이 급속히 변화된다. 또한, 발전량은 연중 태양의 고도각이 변함에 따라 크기가 역시 변하게 된다.

상술한 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 모듈은 광 입사면인 최상층에 배치되어 집광을 하며 경사 입사하는 광을 태양전지 셀 평면의 수직방향으로 굴절시켜 집광하도록 배치된 미세렌즈 어레이와, 집광된 빛을 산란시킨 다음 태양전지 셀에 균일하게 조사하도록 중간 내부에 설치되는 광분산자를 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 모듈은 미세렌즈(어레이)에 의한 집광 광학계와 광경로제어를 위한 광분산자를 포함함으로써, 저(低)집광(≤ 10 SUN)에 의한 광세기를 증대하여 발전효율을 향상하고, 태양광 추적을 하지 않고도 유효 태양광 포집 시간을 증대함으로써 태양전지 셀 자체의 효율 상승이 없이도 태양광 발전효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 모듈은 미세렌즈(어레이)에 의한 집광 광학계와 광경로제어를 위한 광분산자를 포함함으로써, 고가(高價)의 III-V 족 반도체 집광형 태양전지가 아닌 실리콘 태양전지 또는 박막 태양전지를 이용하면서도 집광에 의한 광세기 증가와 광 산란에 의한 광포획 효과를 이용하기 때문에, 장시간 발전이 가능할 수 있다.

또한, 태양광 모듈의 전력생산량을 증대하는 방법이 고효율 태양전지 셀을 사용하는 방법과 주어진 셀에 대하여 수광 면적을 크게 하거나 또는 광 경로를 증대하여 입사 태양광을 손실 없이 활용하는 방법이기 때문에, 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 모듈은 주어진 태양전지 셀에 대하여 미세렌즈에 의한 집광으로 빛의 세기를 크게 하고, 또한 광분산자를 사용함으로써, 태양전지 셀의 광포획 특성을 향상시킴에 따라 전력량을 크게 하고 전력 생산시간을 증대할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 모듈은 미세렌즈의 곡면과 굴절율을 활용하면 집광 배율을 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 태양전지 셀에 조사(illuminating) 흡수되는 태양 빛의 유효 경사 입사각을 증가시킬 수 있다.

즉, 태양광의 입사각도가 동->서(경사각), 남->북(고도각)으로 증대되어 태양전지의 유효 발전시간을 늘일 수 있다. 이에 따라, 태양을 따라 움직이는 추적기의 사용 없이 태양광 추적효과가 있다. 결과적으로 집광형이 아닌 결정형 실리콘 태양전지(Si photovoltaic; Si-PV) 또는 박막태양전지(Thin film Photovoltaic; TFPV)을 이용하여 작은 면적에서 1 sun 이상의 발전량을 생산하며, 또한 유효 발전 시간을 연장하여 태양광 발전 스루풋을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 모듈은 태양광 기와, IOT 태양광 모듈 등 소면적 셀에서 전력 생산을 극대화하기 위한 가장 적합한 구도이다.

상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

11 : 태양전지 셀 12 : 제1 봉지재
13 : 제2 봉지재 14 : 광분산자
15 : 스페이서 16 : 미세렌즈

Claims (4)

1. 복수의 광투과성층이 태양전지 셀 상에 적층되어 이루어져서 입사하는 광에 따라 발전(發電)하는 태양 전지 모듈에 있어서,
   상기 복수의 광투과성층의 최상층이며, 상기 광 입사면에 배치되어 상기 입사하는 광을 집광시키는 적어도 하나의 미세렌즈; 및
   상기 미세렌즈 하측의 상기 복수의 광투과성층의 중간 내부에 설치되며, 상기 미세렌즈를 투과하는 입사광을 분산하여 상기 태양전지 셀에 조사 될 수 있도록 빛을 산란시키는 광분산자;
   를 포함하는 태양 전지 모듈.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 미세렌즈는 휘는 것이 가능한 소재로 이루어지는 태양 전지 모듈.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 미세렌즈는,
   엠보싱(embossing) 성형 또는 3D 프린터를 이용하여 작고 쉽게 형성되는 태양 전지 모듈.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 광분산자는,
   상기 집광된 광이 모이는 초점평면보다 상측에 위치되어 상기 미세렌즈와 상기 초점평면 사이에 위치하는 태양 전지 모듈.

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